Resistencia Terminado
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“Año de la consolidación del Mar de Grau”
INFORME TECNICO
A : ING. AQUINO FERNANDEZ ANGEL NARCIZO
DE : DEIVY OROSCO ARI
Estudiante de la Facultad de Ingeniería
CHUQUILLANQUI PAUCAR JHONATAN
Estudiante de la Facultad de Ingeniería
MACHA DE LA CRUZ JESSY ANGELO
Estudiante de la Facultad de Ingeniería
PALACIOS PORRAS MILNER THOMAS
Estudiante de la Facultad de Ingeniería
ASUNTO : PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO
FECHA : Huancayo 5 de abril del 2016.
Tengo el grado de dirigirme a Ud. Y saludarlo cordialmente con el
debido respeto pasó a informarle lo siguiente.
INTRODUCCION:
Uno de los materiales usados en la construcción de concreto armado es el acero y por
ello la importancia de este trabajo, en el presente se hallan las definiciones acerca de sus
propiedades mecánicas, el objetivo de este trabajo es alcanzar al alumno del curso de
Resistencia de Materiales la información necesaria para que ellos puedan tener
conocimientos acerca de las propiedades mecánicas del acero de esa forma se les hará
mas fácil el análisis que ellos requieran.
PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO
Según la norma UNE EN 10020:2001 define al acero como aquel material en el que el
hierro es el elemento predominante, el contenido en carbono es, generalmente inferior al
2% y contiene además a otros elementos.
El límite superior del 2% en el contenido de carbono (C) es el límite que separa al acero
de la fundición. En general, un aumento del contenido de carbono en el acero eleva su
resistencia a la tracción, pero como contrapartida incrementa su fragilidad en frío y hace
que disminuya la tenacidad y la ductilidad. En función de este porcentaje, los aceros se
pueden clasificar de la siguiente manera.
- Aceros dulce: Cuando el porcentaje de carbono es del 0,25% máximo. Estos aceros
tienen una resistencia última de rotura en el rango de 48-55 kg/mm2 y una dureza Brinell
en el entorno de 135-160 HB. Son aceros que presentan una buena soldabilidad
aplicando la técnica adecuada.
Aplicaciones: Piezas de resistencia media de buena tenacidad, deformación en frío,
embutición, plegado, herrajes, etc.
- Aceros semidulce: El porcentaje de carbono está en el entorno del 0,35%. Tiene una
resistencia última a la rotura de 55-62 kg/mm2 y una dureza Brinell de 150-170 HB.
Estos aceros bajo un tratamiento térmico por templado pueden alcanzar una resistencia
mecánica de hasta 80 kg/mm2 y una dureza de 215-245 HB.
Aplicaciones: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos,
tornillos, herrajes.
- Aceros semiduro: Si el porcentaje de carbono es del 0,45%. Tienen una resistencia a
la rotura de 62-70 kg/mm2 y una dureza de 280 HB. Después de someterlos a un
tratamiento de templado su resistencia mecánica puede aumentar hasta alcanzar los 90
kg/mm2.
Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de
motores de explosión, transmisiones, etc.
- Aceros duro: El porcentaje de carbono es del 0,55%. Tienen una resistencia mecánica
de 70-75 kg/mm2, y una dureza Brinell de 200-220 HB. Bajo un tratamiento de templado
estos aceros pueden alcanzar un valor de resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de
275-300 HB.
Aplicaciones: Ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de
espesores no muy elevados.
1.- Límite elástico y Resistencia a la tracciónLa determinación de las propiedades mecánicas en el acero, como el límite elástico ( fy),
la resistencia a tracción (fu), así como de otras características mecánicas del acero
como el Módulo de Elasticidad (E), o el alargamiento máximo que se produce en la
rotura, se efectuará mediante el anteriormente definido ensayo de tracción normalizado
en la UNE-EN 10002-1.
El valor de la tensión última o resistencia a la tracción se calcula a partir de este ensayo,
y se define como el cociente entre la carga máxima que ha provocado el fallo a rotura
del material por tracción y la superficie de la sección transversal inicial de la probeta,
mientras que el límite elástico marca el umbral que, una vez se ha superado, el material
trabaja bajo un comportamiento plástico y deformaciones remanente.
Se adjunta tabla con los valores de la resistencia a la tracción, así como del límite
elástico y dureza, según la norma americana AISI:
A continuación, en estas otras tablas se recogen también las especificaciones
correspondientes al límite elástico (fy) y resistencia a tracción (fu) para los distintos tipos
de acero según se indican en la Instrucción de Acero Estructural (EAE) española.
• Aceros no aleados laminados en caliente:
Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2)
Tipo
Espesor nominal de la pieza, t (mm)
t ≤ 40 40 < t ≤ 80
Límite elástico, fy
Resistencia a tracción, fu
Límite elástico, fy
Resistencia a tracción, fu
S 235 235 360 < fu < 510 215 360 < fu < 510
S 275 275 430 < fu < 580 255 410 < fu < 560
S 355 355 490 < fu < 680 335 470 < fu < 630
En los siguientes apartados se definen las características resistentes para los aceros
con características especiales:
• Aceros soldables de grano fino, en la condición de normalizado:
Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2)
Tipo
Espesor nominal de la pieza, t (mm)
t ≤ 40 40 < t ≤ 80
Límite elástico, fy
Resistencia a tracción, fu
Límite elástico, fy
Resistencia a tracción, fu
S 275 N/NL 275 370 < fu < 510 255 370 < fu < 510
S 355 N/NL 355 470 < fu < 630 335 470 < fu < 630
S 420 N/NL 420 520 < fu < 680 390 520 < fu < 680
S 460 N/NL 460 540 < fu < 720 430 540 < fu < 720
• Aceros soldables de grano fino, laminados termomecánicamente:
Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2)
Tipo
Espesor nominal de la pieza, t (mm)
t ≤ 40 40 < t ≤ 80
Límite elástico, fy
Resistencia a tracción, fu
Límite elástico, fy
Resistencia a tracción, fu
S 275 M/ML 275 370 < fu < 530 255 360 < fu < 520
S 355 M/ML 355 470 < fu < 630 335 450 < fu < 610
S 420 M/ML 420 520 < fu < 680 390 500 < fu < 660
S 460 M/ML 460 540 < fu < 720 430 530 < fu < 710
• Aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica:
Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2)
Tipo
Espesor nominal de la pieza, t (mm)
t ≤ 40 40 < t ≤ 80
Límite elástico, fy
Resistencia a tracción, fu
Límite elástico, fy
Resistencia a tracción, fu
S 235 J0W 235 360 < fu < 510 215 360 < fu < 510
S 235 J2W 235 360 < fu < 510 215 360 < fu < 510
S 355 J0W 355 490 < fu < 680 335 470 < fu < 630
S 355 J2W 355 490 < fu < 680 335 470 < fu < 630
S 355 K2W 355 490 < fu < 680 335 470 < fu < 630
• Aceros de alto límite elástico, en la condición de templado y revenido:
Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2)
TipoEspesor nominal de la pieza, t (mm)
t ≤ 40 40 < t ≤ 80
Límite Resistencia a Límite Resistencia a
elástico, fy tracción, fu elástico, fy tracción, fu
S 460 Q
460 550 < fu < 720 440 550 < fu < 720S 460 QL
S 460 QL1
2.- Módulo de elasticidad longitudinal o Módulo de Young
Para comprender el concepto de Módulo de Elasticidad longitudinal del material, se debe
partir del ensayo de tracción ya descrito en el apartado 2 de este tutorial. De esta
manera se vio que si sobre una probeta cilíndrica de acero de sección transversalA y
longitud inicial L0 se le someta a una tracción F que actúa a lo largo de su eje, ésta
sufrirá, por efecto de la solicitación, un alargamiento de magnitud ΔL.
Para los estadios iniciales donde la deformación es pequeña, ΔL/L0 <<1, se obtiene
experimentalmente que hasta que la fuerza aplicada F no alcance un rango limitado, éste
incremento ΔL de la probeta es proporcional a la fuerza aplicada (F), a su longitud original
(L0) e inversamente proporcional al área de su sección transversal (A), es decir que:
ΔL es proporcional a
F · L0
A
A esta constante de proporcionalidad, o más bien a su inversa, se designan con las
letras E, o también con Y, y se les denomina Módulo de Young o Módulo de Elasticidad
longitudinal, y es una propiedad intrínseca de cada material.
Sustituyendo en la expresión anterior, ésta quedaría como sigue:
ΔL = 1 · F · L0
E A
Por otro lado, el cociente F/A representa el nivel tensional o la tensión normal de la
pieza σ, y el cociente ΔL/L0 es la deformación unitaria, ε, con lo que la expresión anterior
también puede escribirse de la forma siguiente,
σ = E · ε
que es la expresión conocida como Ley de Hooke.
El Módulo de Elasticidad o Módulo de Young, para el cálculo y diseño de estructuras de
acero en el rango elástico, toma convencionalmente el siguiente valor:
E= 210.000 N/mm2
A continuación, en la tabla siguiente se indica el Módulo de Elasticidad o Módulo de
Young para otros distintos metales,
Metal Módulo de Young, Y·1010 N/m2
Cobre estirado en frío 12,7
Cobre, fundición 8,2
Cobre laminado 10,8
Aluminio 6,3-7,0
Acero al carbono 19,5-20,5
Acero aleado 20,6
Acero, fundición 17,0
Cinc laminado 8,2
Latón estirado en frío 8,9-9,7
Latón naval laminado 9,8
Bronce de aluminio 10,3
Titanio 11,6
Níquel 20,4
Plata 8,27
3.- Módulo de elasticidad transversal
El módulo de elasticidad transversal, módulo de cortante o módulo de cizalla G, para la
mayoría de los materiales, y en concreto para los materiales isótropos, guarda una
relación fija con el módulo de elasticidad longitudinal y el coeficiente de Poisson, según
la siguiente expresión:
G =
E
2 · ( 1 +
ν )
En la siguiente tabla se indica los valores para el Módulo de elasticidad transversal, G,
para distintos materiales:
Material G (MPa)
Acero 81.000
Aluminio 26.300
Bronce 41.000
Cobre 42.500
Fundición Gris (4.5 %C) 41.000
Hierro Colado < 65.000
Hierro Forjado 73.000
Latón 39.200
Decir tiene que los valores arriba indicados para los Módulos de Elasticidad, E y G, son
valores constantes e iguales a los ya señalados, pero siempre y cuando nos
encontremos trabajando dentro del rango de comportamiento elástico del acero.
4.- Coeficiente de Poisson
El coeficiente de Poisson corresponde a la razón entre la elongación longitudinal y a la
deformación transversal en el ensayo de tracción. Alternativamente el coeficiente de
Poisson puede calcularse a partir de los módulos de elasticidad longitudinal y
transversal, según la expresión siguiente:
ν =
E
- 1
2 ·
G
Para el acero, toma el siguiente valor:
ν = 0,3
Como en el caso anterior, las expresiones arriba indicadas del coeficiente de Poisson, ν,
son valores constantes siempre dentro del rango de comportamiento elástico del acero.
5.- Estricción
Para explicar el concepto de estricción en el acero, se debe acudir de nuevo al ensayo
de tracción sobre la probeta cilíndrica normalizada. Así, se conoce como período de
estricción al que se inicia cuando, una vez se supera el límite de fluencia, se produce
una reducción gradual de la sección en la zona donde ocurrirá la rotura, una
deformación permanente, hasta que se produce definitivamente el fallo. Es por tanto, un
fenómeno que ocurre durante la plasticidad del acero, y sobretodo típico de los aceros
suaves o dúctiles.
La estricción es la responsable del tramo de bajada en la curva tensión-deformación, y
hace que se llegue a la rotura cuando la carga es inferior a la carga máxima aplicada,
diferencia que se acrecienta con la tenacidad del material.
6.- Resiliencia
Mediante la Resiliencia se mide el grado de tenacidad o de ductilidad del acero a una
determinada temperatura (generalmente, se establecen valores de resiliencia a
temperatura ambiente, a 0ºC, o a temperatura de -20ºC).
El ensayo que proporciona el dato de la resiliencia del acero consiste en el ensayo de
flexión por choque sobre una probeta Charpa, que es una probeta entallada de medidas
normalizadas según la UNE 7475-1:1992. Mediante dicho ensayo, la resiliencia, medida
en julios (J), se determina a una temperatura prefijada. Frecuentemente, las normas de
producto exigen que las probetas absorban una energía de impacto mayor que 27 J a
una temperatura de ensayo prefijada. A dicha temperatura se le denomina entonces
T27J.
De tal forma, los aceros se suelen designar identificando su tipo mediante la siguiente
nomenclatura que hace referencia a su límite elástico y grado (referencia a la
resiliencia), según el formato siguiente:
S YYY XX,
Donde,
YYY indica el límite elástico (en N/mm2)
XX indica las especificaciones de resiliencia de los distintos grados de acero de acuerdo
a la siguiente tabla:
GradoTemperatura de ensayo (ºC)
Resiliencia (J)
t ≤ 150 150 < t ≤ 250 250 < t ≤ 400
JR 20 27 27 -
J0 0 27 27 -
J2 -20 27 27 27
K2 -20 40 33 33
Siendo t, el espesor nominal de la pieza en mm.
Ejemplo de denominación de acero según el criterio anterior es el S 275 JR.
7.- Tenacidad a la fractura
La tenacidad a la fractura del acero define su capacidad a soportar cualquier solicitación
exterior sin que se origine ningún tipo de fractura en el interior del material. Este es un
concepto aparte de la tensión de rotura del material, y ello es así porque, en ocasiones,
la fractura se puede producir con la aplicación de esfuerzos menores que los que
marquen la tensión de rotura del material, o incluso menores que su límite elástico. Y
ello es debido porque interiormente el material puede contener pequeñas grietas o
defectos que son el germen del inicio de la fractura.
En efecto, supongamos una pieza sección A0 sometida a un esfuerzo F. El valor de la
tensión normal media en cualquier sección perpendicular al esfuerzo sería σ = F/A0.
Pues bien, si la pieza presenta una pequeña grieta o defecto, como puedan ser
inclusiones de elementos extraños, ocurre entonces que alrededor de esta
discontinuidad se produce un efecto amplifcador, un aumento del nivel de tensiones
normal a que estaría sometida la pieza.
Para calibrar cuánto se amplifica los niveles de tensiones alrededor de una grieta o
discontinuidad se define el Factor de Intensidad de Tensiones, K, mediante la siguiente
expresión general:
K = f · σ · √ ( π · a )
donde:
f = coeficiente adimensional o factor geométrico, que depende de la fuerza aplicada y la
geometría de la pieza;
σ = es el valor de la tensión normal aplicada;
a = es el tamaño del defecto. Si el defecto es superficial representa la longitud total de la
grieta, mientras que si la grieta es interior, representa la mitad de su longitud.
Se denomina Tenacidad a la Fractura o intensidad del esfuerzo crítico, Kc, al valor
de K requerido que origina el proceso de fractura en el interior del material, comenzando
en el extremo de la grieta y propagándose hasta alcanzar la superficie de la pieza
ocasionando su fractura. Es decir, que la fractura ocurre cuando K > Kc. El valor
numérico de Kc dependerá del espesor de la pieza considerada.
8.- Dureza Brinell
La dureza es una propiedad que mide la capacidad de resistencia que ofrecen los
materiales a procesos de abrasión, desgaste, penetración o de rallado. Para medir la
dureza de un material se emplea un tipo de ensayo consistente en calibrar la resistencia
de un material a la penetración de un punzón o una cuchilla que se usa como
indentador. Este indentador usualmente consta en su extremo, o bien de una esfera, o
bien de una pieza en forma de pirámide, o en forma de cono y que está compuesto de
un material mucho más duro que el acero que se está midiendo. La profundidad de la
entalla que produce en el acero al ser rallado por este penetrador nos dará una medida
de la dureza del material.
Existen varios métodos para calibrar la dureza de un material, siendo el método Brinell y
el método Rockwell los más comunes.
El método Brinell (ASTM E10) es un tipo de ensayo utilizado para calcular la dureza de
los materiales. Consiste en una esfera de 10 mm de diámetro, usualmente de un acero
endurecido, que se presiona contra la superficie del material objeto de estudio bajo una
carga estática de 3.000 kg. El tamaño de la huella nos proporcionará una medida de la
dureza, denominada dureza Brinell, bajo estas condiciones del ensayo.
Para determinar el valor de la dureza Brinell se emplea la ecuación mostrada en la figura
siguiente:
donde:
F, es la carga a utilizar, en Kp
D, es el diámetro de la bola (indentador), en mm
d, es el diámetro de la huella dejada en superficie, en mm
A continuación, en la siguiente tabla se indica, entre otras propiedades mecánicas, los
valores de dureza para distintos tipos de acero:
9.- Soldabilidad
La soldabilidad mide la capacidad de un acero que tiene a ser soldado, y que va a
depender tanto de las características del metal base, como del material de aporte
empleado.
Un parámetro útil para evaluar la soldabilidad de los aceros es el concepto de
CARBONO EQUIVALENTE (CEV), que equipara las soldabilidades relativas de
diferentes aleaciones de acero y las compara con las propiedades de un acero al
carbono simple.
El Código API 1104- A B presenta la ecuación desarrollada por el Instituto Internacional
de Soldadura, y cuya expresión es la siguiente, donde los contenidos de los elementos
químicos se expresan en tanto por ciento (%):
CEV = C +
Mn
+
Cr + Mo + V
+
Ni + Cu
6 5 15
A medida que se eleva el contenido equivalente de carbono, la soldabilidad de la
aleación de acero que se trate decrece.
Aunque esta ecuación fue inicialmente desarrollada para caracterizar la tendencia a la
fisuración por hidrógeno en chapas de acero, también se ha venido utilizando para
evaluar el endurecimiento del acero basado en su composición química.
Como regla general, un acero se considera soldable si el carbono equivalente, obtenido
según la fórmula anterior, es menor a 0,4%.
No obstante, este parámetro no es suficiente para evaluar la soldabilidad de los distintos
aceros, dado que la soldabilidad no depende sólo de la composición química del acero,
sino que existen otros factores como puede ser el espesor de la junta, un factor que va a
condicionar la elección de la temperatura de precalentamiento y/o tratamientos térmicos
post-soldadura, o la adecuada elección del material de aporte. Otros aspectos como la
historia térmica del material y tensiones mecánicas desarrolladas antes, durante y
después de realizada la unión, van a influir también en la soldabilidad del acero.
Diagrama de Graville
La figura anterior muestra el diagrama de Graville, el cual resulta una herramienta útil
para evaluar la soldabilidad de los aceros. El valor del CE (%), como ya se ha dicho, va
a medir la susceptibilidad a la fisuración en frío del metal base en la zona afectada por el
calor (ZAC) debido a la soldadura. Como se vio, mayores %C va a significar un aumento
del riesgo que se produzca una fisuración en frío.
Otra información a extraer del diagrama de Graville es la posibilidad de comprobar la
necesidad de tener que realizar algún tipo de precalentamiento o tratamiento térmico
post-soldadura basada en la composición química (no considera espesor), dado que en
la misma gráfica se indica la relación entre %Carbono y el CE% del metal base.
10.- Resistencia al desgarro
La resistencia al desgarro laminar del acero se define como la resistencia a la aparición
de fisuras en piezas soldadas sometidas a tensiones de tracción en dirección
perpendicular a su superficie.
Para evitar el desgarro laminar, se deberá reducir en lo posible dichas tensiones
mediante un proyecto adecuado de los detalles constructivos correspondientes.
También se puede emplear otros tipos aceros que son poco susceptibles a este defecto,
tales como los aceros con resistencia mejorada a la deformación en la dirección
perpendicular a la superficie del producto, y que son aquellos que cumplen con unos
valores mínimos de estricción mostrados en la siguiente tabla, y que han sido obtenidos
sometiendo al producto a un ensayo de tracción en la dirección del espesor.
Tabla de Grados y Valores mínimos de estricción
GradoEstricción (%)
Valor mínimo medio de tres ensayos
Valor mínimo individual
Z 15 15 10
Z 25 25 15
Z 35 35 25
11.- Aptitud al doblado
La aptitud al doblado es un índice de la ductilidad del material, y se define por la
ausencia o presencia de fisuras en el ensayo de doblado. La aptitud al doblado es una
característica opcional que debe verificarse sólo si lo exige el pliego de prescripciones
técnicas particulares del proyecto o si lo indica el pedido.
La determinación de la aptitud al doblado se efectuará comprobando la ausencia de
fisuras en el ensayo de doblado simple, normalizado en UNE-EN ISO 7438.
RESUMEN:
Muchas de sus propiedades mecánicas del acero se dan por acción de fuerzas externas
y lo cual hace que nosotros como espectadores podamos verlos. Una vez enlistado sus
propiedades mecánicas del acero podemos hallar e identificarlas ya que sus conceptos y
definiciones nos ayudaran a relacionarlo con nuestra necesidad como estudiantes, el
uso de las formulas también ayudaran al cálculo de sus propiedades con solo aplicar en
ella la información que no brinda nuestra necesidad o problema.
MATERIALES Y METODO:
Los materiales usados para el acopio de esta información fueron las siguientes fuentes:
DISEÑO DE ELEMENTOS Y MAQUINAS 1 - Jorge f. Ma San Zapata (Universidad
Nacional de Piura)
PROPIEDADES DE MATERIALES – Dr. Andres Ozols (Facultas de Ingenieria –
Universidad de Buenos Aires)